Wie ein Nanoteilchen am zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kratzt

6. April 2014, 17:05
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Forscher untersuchten ein ungewöhnliches Phänomen in der Laserfalle: Die Wärmeübertragung von kalten zu warmen Nanoteilchen

Wien - Objekte mit Größen von wenigen Nanometern, etwa molekulare Bausteine lebender Zellen oder nanotechnologische Elemente, sind laufend zufälligen Zusammenstößen mit den sie umgebenden Molekülen ausgesetzt. In diesem mikroskopisch kleinen Umfeld werden die fundamentalen Gesetze der Thermodynamik neu geschrieben. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Uni Wien entdeckte nun, wie ein mit Laserlicht gefangenes Nanoteilchen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzt - ein Umstand, der auf der herkömmlichen Zeit- und Längenskala unmöglich ist. Die Ergebnisse wurden aktuell im Fachjournal "Nature Nanotechnology" veröffentlicht.

In der Natur gibt es viele Prozesse, die man nicht umkehren kann. Das physikalische Gesetz, das irreversibles Verhalten beschreibt, ist der berühmte zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der auf den österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann zurückgeht. Er besagt, dass sich die Entropie eines Systems – ein Maß für dessen Unordnung – niemals spontan verringern kann und daher die Unordnung (hohe Entropie) gegenüber der Ordnung (niedrige Entropie) bevorzugt wird.

Seltene Ereignisse in Nano-Systemen

"Wenn wir jedoch in die mikroskopische Welt der Atome und Moleküle hineinzoomen, wird diese Aussage abgeschwächt und verliert ihre absolute Gültigkeit. Denn auf der Nanoskala kann der zweite Hauptsatz in der Tat vorübergehend verletzt werden", sagt Christoph Dellago, Professor für Computational Physics an der Universität Wien. "Seltene Ereignisse treten ein, die man in unserer makroskopischen Alltagswelt niemals beobachten würde, wie z.B. die Übertragung von Wärme von einem kalten zu einem warmen Körper". Obwohl der zweite Hauptsatz der Thermodynamik im Mittel selbst in Nano-Systemen gültig bleibt, sind die Forscher fasziniert von diesen seltenen Ereignissen und wollen mehr über die Bedeutung und den mikroskopischen Ursprung der Irreversibiltät in Nano-Systemen in Erfahrung bringen.

Kürzlich gelang es einem Team um Dellago, die Wahrscheinlichkeit, mit der der zweite Hauptsatz der Thermodynamik zeitweise verletzt wird, präzise vorherzusagen. Das von den Forschern mathematisch hergeleitete Fluktuationstheorem wurde sofort auf die Probe gestellt: Experimentalphysiker des Instituts für Photonische Wissenschaften in Barcelona und von der ETH Zürich benutzten eine Falle aus Laserlicht, um eine winzige Glaskugel mit einem Durchmesser von weniger als hundert Nanometer schweben zu lassen. Der experimentelle Aufbau erlaubte dem Forscherteam, die Nanokugel zu fangen und festzuhalten und darüber hinaus ihre Position in allen drei Raumrichtungen mit unglaublicher Genauigkeit zu messen.

Thermisches Gleichgewicht

In der Falle wird die Nanokugel durch Zusammenstöße mit den sie umgebenden Gasmolekülen herumgeschleudert. Durch eine Manipulation der Laserfalle kühlten die Wissenschafter die Nanokugel auf eine geringere Temperatur als die des umgebenden Gases ab – das Nanoteilchen befand sich daher nicht mehr in einem thermischen Gleichgewicht. Nach Abschalten der Kühlung beobachteten die Forscher, wie sich das Nanoteilchen durch die Energieübertragung der Gasmoleküle erwärmte und so wieder in ein thermisches Gleichgewicht überging. Dabei stellten die Forscher fest, dass die winzige Glaskugel sich manchmal, wenn auch selten, nicht so verhielt, wie man es nach dem zweiten Hauptsatz erwarten würde: Gelegentlich gab die Nanokugel auch Energie an die wärmere Umgebung ab, anstatt Wärme von ihr aufzunehmen. Die von den Forschern zur Auswertung ihres Experiments hergeleitete Theorie steht in Einklang mit der allgemeinen Vorstellung, welche Grenzen der zweite Hauptsatz auf der Nanoskala erfährt.

"Dieser experimentelle und theoretische Rahmen hat breite Anwendungsmöglichkeiten. Durch den technologischen Fortschritt werden wir immer kleinere Nanomaschinen produzieren können und je kleiner diese sind, desto stärker werden sie die Wirkung der thermischen Bewegung ihrer Umgebung spüren", so Dellago. Fortführende Studien sollen nun die fundamentalen physikalischen Eigenschaften von Nano-Systemen, die sich nicht im thermischen Gleichgewicht befinden, genauer unter die Lupe nehmen. Die Forscher wollen so einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis, wie Nanomaschinen unter fluktuierenden Bedingungen funktionieren, leisten. (red, derStandard.at, 6.4.2014)

  • Künstlerische Darstellung eines Nanoteilchens in der Laserfalle.
    foto: gonzalez/gieseler

    Künstlerische Darstellung eines Nanoteilchens in der Laserfalle.

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